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Reaktionen

Reaktion saurer Lösungen mit Kalk

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Die Kennzeichnung auf einer Verpackung von Reinigungsmitteln liefert Informationen über den Inhalt des Produkts und wofür es verwendet werden kann.

Reinigungsmittel, die Essigsäure oder Citronensäure enthalten, sind in der Regel zur Kalkentfernung vorgesehen. Das bedeutet, sie können verwendet werden, um Kalkablagerungen zu entfernen, zum Beispiel an Armaturen oder Ablagerungen im Wasserkocher. Kalk besteht aus Calciumcarbonat und kommt in verschiedenen Formen in der Natur und im Alltag vor.

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© Digitale Lernwelten GmbH auf Basis von Canva

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In den folgenden Experimenten werden wir untersuchen, wie verschiedene saure Lösungen auf Calciumcarbonat (Kalkstein) wirken. Calciumcarbonat repräsentiert verschiedene Formen von Kalkstein, die wir im Alltag vorfinden.

Experiment 1
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Reaktion von verdünnter Salzsäure mit Calciumcarbonat (Kalkstein)
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH/Yasemin Jacobs

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Hilfe
Experiment 2
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Reaktion von Citronensäure-Lösung mit Calciumcarbonat (Kalkstein)
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Experiment 3
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Reaktion von Essig-Essenz mit Calciumcarbonat (Kalkstein)
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Basisaufgabe
Vertiefungsaufgabe

Vervollständige dazu den Lückentext. Folgende Begriffe kannst du benutzen: 

chemische Reaktion - Citronensäure - Eigenschaften - Gases - gasförmig - Heftigkeit - Salzsäure - Säuren - Schaumbildung -  stark - steigt - Stoff

Expertenaufgabe
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Zusatzwissen

Untersuchung des entstehenden Gases

Kohlenstoffdioxid-Nachweis (Kalkwasserprobe bzw. Barytwasserprobe) 

Interaktive Abbildung einer Apparatur für die Kalkwasserprobe
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Nachweis des entstehenden Kohlenstoffdioxids mit der Kalkwasserprobe (bzw. Barytwasserprobe)
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH/Yasemin Jacobs

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Das Gas, das zur Schaumbildung führt, ist Kohlenstoffdioxid. Wir können dies nachweisen, indem wir das Gas in eine Lösung von Calciumhydroxid (Bariumhydroxid) leiten. Wenn es sich um Kohlenstoffdioxid handelt, reagiert es mit der Lösung und bildet schwer lösliches Calciumcarbonat (Bariumcarbonat). Dies zeigt sich durch eine weiße Trübung in der Lösung.

Chemische Reaktion zwischen sauren Lösungen und unedlen Metallen

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Auf Verpackungen von sauren Reinigungsmitteln steht oft, dass sie nicht für die Reinigung von Metallflächen verwendet werden sollten. Das liegt daran, dass saure Lösungen auf Metall eine schädliche Wirkung haben. Sie reagieren chemisch mit dem Metall und können die Oberflächen beschädigen.

Um zu verstehen, was bei dieser chemischen Reaktion zwischen einer sauren Lösung und unedlen Metallen genau passiert, werden wir ein Experiment durchführen.

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Chemische Reaktion von Zink mit sauren Lösungen

In den nächsten beiden Experimenten werden wir die Auswirkungen saurer Lösungen auf unedle Metalle untersuchen. Um die Intensität der Reaktionen besser vergleichen zu können, verwenden wir eine 25%ige Salzsäure und eine 25%ige Essigsäure. Als Beispiel für unedle Metalle verwenden wir hier Aluminium, aber das Prinzip gilt auch für andere unedle Metalle wie Eisen, Magnesium und Zink.

Alle sauren Lösungen reagieren mit unedlen Metallen. Die Stärke der Reaktion hängt jedoch von zwei Faktoren ab:

  1. 1Die Art der sauren Lösung (z. B. Salzsäure oder Essigsäure).
  2. 2Die Konzentration der sauren Lösung.
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Reaktion von 25%iger Salzsäure mit Zink
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Reaktion von 25%iger Essigsäure (Essigessenz) mit Zink
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH/Yasemin Jacobs

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Untersuchung des entstandenen Gases

Nachweis von Wasserstoff mit der Knallgasprobe

Das Zischen und die Bildung von Schaum bei der Reaktion von sauren Lösungen mit Zink deuten darauf hin, dass während der Reaktion ein Gas freigesetzt wird. Dieses Gas ist Wasserstoff (H2). Wir können Wasserstoff während dieser Reaktion auffangen und mithilfe eines Tests, der als Knallgasprobe bekannt ist, nachweisen.

Die verbleibende Lösung enthält nun Zink-Ionen und die Säurerest-Ionen, in diesem Fall Chlorid-Ionen. Unter geeigneten Bedingungen können diese Ionen als festes Zinkchlorid in der Lösung ausfallen.

Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass saure Lösungen mit unedlen Metallen reagieren und dabei Wasserstoff sowie Ionen des jeweiligen Metalls und Säurerest-Ionen bilden.

Auffangen von Wasserstoffgas und Knallgasprobe
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Nachweis von Wasserstoffgas mit der Knallgasprobe
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Basisaufgabe

Ziehe die Wörter in das richtige Feld, um eine Wortgleichung herzustellen. 

Vertiefungsaufgabe

Ziehe die Wörter in das richtige Feld, um eine Wortgleichung herzustellen. 

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Merkwissen für deine Notizen

Saure Lösungen reagieren mit Calciumcarbonat (Kalkstein) unter Bildung von Kohlenstoffdioxid. 

Kohlenstoffdioxid kann mit der Kalkwasserprobe (oder Barytwasserprobe) nachgewiesen werden. 

Saure Lösungen reagieren mit unedlen Metallen unter Bildung von Wasserstoff und dem Salz aus dem jeweiligen Metall-Ion und dem Säurerest-Ion.

Wasserstoffgas kann mit der Knallgasprobe nachgewiesen werden. 

Neutralisationsreaktion

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In einigen Regionen oder Gärten ist der Boden zu sauer, was bedeutet, dass viele Pflanzen, einschließlich Rasen, nicht gut wachsen können. Wenn dein Gartenboden zu sauer ist, ist es wichtig, den pH-Wert des Bodens zu erhöhen, da saurer Boden Pflanzen nicht ausreichend mit Nährstoffen versorgt.

Um den pH-Wert des Bodens zu erhöhen, wird ein Vorgang namens „Kalken“ durchgeführt. Dabei wird Gartenkalk, der auch als Calciumhydroxid bezeichnet wird, auf den Boden aufgetragen. Dieser Kalk wird aktiv, wenn es regnet oder du den Garten bewässerst. In diesem Moment reagiert das basische Kalksteinmehl mit den sauren Bestandteilen im Boden, und es kommt zu einer Neutralisation, wodurch der Boden weniger sauer wird und für Pflanzen geeigneter ist.

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Neutralisationsbeispiele sind nicht nur im Garten zu finden, sondern auch in anderen Bereichen wie Abwasseraufbereitungsanlagen. Dort wird der pH-Wert des Abwassers überwacht, und wenn er zu sauer ist, wird er durch Zugabe von basischen Substanzen erhöht.

Poolbesitzer müssen ähnlich vorgehen: Der pH-Wert des Poolwassers wird regelmäßig überprüft, und wenn er außerhalb des optimalen Bereichs von 7 bis 7,4 liegt, werden entsprechende Zusätze verwendet, um den pH-Wert auf das gewünschte Niveau einzustellen. Ein pH-Wert im Poolwasser innerhalb dieses Bereichs wird als ideal angesehen, um die Wasserqualität zu gewährleisten.

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Im menschlichen Körper können ebenfalls Neutralisationsreaktionen auftreten. Wenn der Säuregehalt im Magen zu hoch ist, kann dies zu Sodbrennen führen. Es gibt jedoch basisch wirkende Mittel, die die Magensäure nicht vollständig neutralisieren, aber den Säuregehalt ausreichend verringern, um das unangenehme Brennen zu lindern.

Im Allgemeinen bezeichnen wir die Reaktion zwischen einer Säure und einer Base (Lauge) als Neutralisationsreaktion. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die resultierende Lösung nur unter bestimmten Bedingungen tatsächlich neutral ist und einen pH-Wert von 7 aufweist. Wie eine solche Neutralisationsreaktion funktioniert, wird in dem folgenden Experiment anhand der Reaktion von Salzsäure mit Natronlauge modellhaft untersucht.

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Chemische Reaktion zwischen Salzsäure und Natronlauge

Die Neutralisationsreaktion

In diesem Experiment wird der Neutralisationsprozess schrittweise durchgeführt, indem Natronlauge portionsweise zu Salzsäure gegeben wird. Ein Farbstoffindikator (Unitest) zeigt den aktuellen pH-Wert an, der mit einer Farbskala verglichen werden kann.

Die Salzsäurelösung und die Natronlauge haben jeweils die gleiche Konzentration an Wasserstoff-Ionen (H⁺) bzw. Hydroxid-Ionen (OH⁻). Das bedeutet, dass in 10 ml Salzsäure genauso viele Wasserstoff-Ionen vorhanden sind wie in 10 ml Natronlauge Hydroxid-Ionen.

In einem Erlenmeyerkolben befinden sich zunächst genau 10 ml Salzsäure, die mit Unitest-Lösung versetzt wurden. Nun werden fast 10 ml Natronlauge hinzugegeben, es fehlen nur wenige Tropfen, um genau 10 ml zu erreichen. Die Lösung behält jedoch ihre rote Färbung.

Wenn noch überschüssige Salzsäure vorhanden ist, bedeutet dies, dass immer noch Wasserstoff-Ionen vorhanden sind, und der Indikator Unitest bleibt rot.

Dann wird die Natronlauge tropfenweise weiter hinzugegeben.

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Neutralisation von Salzsäure mit Natronlauge
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH/Yasemin Jacobs

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Sobald das zugegebene Volumen an Natronlauge genau dem vorhandenen Volumen an Salzsäure entspricht (die Lösung ist jetzt grün), bedeutet dies, dass die Menge an Hydroxid-Ionen (OH⁻) genau der Anzahl an Wasserstoff-Ionen (H⁺) entspricht, die in der Salzsäure im Erlenmeyerkolben vorhanden waren. In solchen Fällen entsteht bei der Neutralisation eine neutrale Lösung, die aus Wasser und Kochsalz (Natriumchlorid) besteht, und der Indikator Unitest färbt sich grün.

Dann wurden erneut wenige Tropfen Natronlauge hinzugegeben, und die Lösung färbte sich sofort blau. Dies deutet darauf hin, dass nun ein Überschuss an Natronlauge vorhanden ist, und es gibt überschüssige Hydroxid-Ionen (OH⁻) in der Lösung, was dazu führt, dass der Indikator Unitest sich blau färbt.

Die Neutralisation verläuft unter Wärmeentwicklung. Eine solche Reaktion wird als exotherme Reaktion bezeichnet, da dabei Reaktionswärme freigesetzt wird. Im Fall der Neutralisation nennt man dies Neutralisationswärme. Um die Temperaturänderung deutlich zu beobachten und Abkühlungseffekte zu minimieren, werden folgende Maßnahmen ergriffen:

  1. 1Es wird konzentrierte Salzsäure (25%ig) und konzentrierte Natronlauge (25%ig) verwendet.
  2. 2Das gesamte Volumen der Natronlauge wird auf einmal zugegeben.
  3. 3Das Becherglas ist mit einem Schaumstoffmantel isoliert, um Wärmeverluste zu reduzieren.

Die Temperaturänderung während der Reaktion wird mit einem Thermometer gemessen.

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Neutralisationswärme bei der Neutralsiation von Salzsäure mit Natronlauge
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH/Yasemin Jacobs

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Digitale Messwerterfassung mit einem Temperatursensor
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Basisaufgabe

Ziehe die Wörter in das richtige Feld, um eine Wortgleichung herzustellen.

Vertiefungsaufgabe

Ziehe die Wörter in das richtige Feld, um eine Wortgleichung herzustellen.

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Basis-Merkwissen für deine Notizen

Die Reaktion einer Säure (sauren Lösung) mit einer Base (basischen Lösung, Lauge) zur neutralen Lösung aus Wasser und Salz wird als Neutralisationsreaktion bezeichnet.

Bei der Neutralisationsreaktion entstehen als Reaktionsprodukte Wasser und ein Salz.

Sind bei einer Neutralisation die Anzahl der Wasserstoff-Ionen gleich der Anzahl der Hydroxid-Ionen, so weist die Lösung nach der Neutralisation den pH-Wert 7 auf.

Die Neutralisationsreaktion ist eine exotherme Reaktion. Es wird Neutralisationswärme freigesetzt.

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Vertiefendes Merkwissen für deine Notizen

Die Reaktion einer Säure (sauren Lösung) mit einer Base (basischen Lösung, Lauge) zur neutralen Lösung aus Wasser und Salz wird als Neutralisationsreaktion bezeichnet.

Bei der Neutralisationsreaktion entstehen als Produkte Wasser und ein Salz.

Sind bei einer Neutralisation die Anzahl der Wasserstoff-Ionen gleich der Anzahl der Hydroxid-Ionen, so weist die Lösung nach der Neutralisation den pH-Wert 7 auf.

Die Neutralisationsreaktion ist eine exotherme Reaktion. Es wird Neutralisationswärme freigesetzt. 

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Abschlussquiz